深入java虚拟机学习 -- 类的加载机制

当看到“类的加载机制”，肯定很多人都在想我平时也不接触啊，工作中无非就是写代码，不会了可以百度，至于类，jvm是怎么加载的我一点也不需要关心。在我刚开始工作的时候也觉得这些底层的内容距离我还很遥远，根本不用关系，可是随着做开发的时间越来越长，慢慢的已经意识到虚拟机相关要领的重要性。一直想写篇和虚拟机相关的文章，无奈之前由于各种原因一直没写，年初工作还不是很忙，抽时间来慢慢完善jvm的内容。

好了，不说废话了，大家一起来看下代码吧，都来猜猜下面的两份代码的执行结果是什么？

 class Singleton
 {
     private static Singleton singleton = new Singleton();
     public static int counter1;
     public static int counter2=0;

     private Singleton(){
         counter1++;
         counter2++;
     }

     public static Singleton getInstance(){
         return singleton;
     }
 }

 public class Demo
 {
    public static void main(String[] args){
        Singleton singleton=Singleton.getInstance();
        System.out.println("counter1:"+singleton.counter1);
        System.out.println("counter2:"+singleton.counter2);
     }
 }

 class Singleton
 {
     public static int counter1;
     public static int counter2=0;
     private static Singleton singleton = new Singleton();

     private Singleton(){
         counter1++;
         counter2++;
     }

     public static Singleton getInstance(){
         return singleton;
     }
 }

 public class Demo
 {
    public static void main(String[] args){
        Singleton singleton=Singleton.getInstance();
        System.out.println("counter1:"+singleton.counter1);
        System.out.println("counter2:"+singleton.counter2);
     }
 }

看到这样的结果，不知道你有没有意外呢？看完我的这几篇文章后聪明的你一看就明白是怎么回事了。

java虚拟机与程序的生命周期

　　- 执行了System.exit()方法

　　- 程序正常执行结束

　　- 程序在执行过程中遇到了异常或错误而终止

　　- 由于操作系统出现错误导致java虚拟机进程终止

在如上几种情况下，java虚拟机将结束自己的生命周期

类的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking）。如图所示。

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。

加载

查找并加载类的二进制数据，加载是类加载过程中的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

• 类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读取到内存中
• 将其放在运行时数据区的方法区内，
• 然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构

类加载的最终产品书位于堆区中的Class对象

Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并像java程序员提供了访问方法去内的数据结构的接口。

Java程序对类的使用方式可以分为两种：

-主动使用（六种）

1，创建类的实例

2，访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

3，调用类的静态方法

4，反射（Class.forName（“com.jack.test”））

5，初始化一个类的子类

6，Java虚拟机启动时被标明为启动类的类

-被动使用（除以上6种情况外，其他情况均为被动使用）

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误），如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

加载.class文件的方式：

• 从本地系统中直接加载
• 通过网络下载.class文件
• 从zip，jar等归档文件中加载.class文件
• 从专有数据库中提取.class文件
• 将Java源文件动态编译为.class文件

类加载器

不同的类加载器负责的组件不同，可分为2种类型

• 自定义类加载器（java.lang.classLoader的自来）
• java虚拟机自带类加载器

java虚拟机自带类加载器按类型又可分为三种类型：

• 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader    C/C++实现的  负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。

• 扩展类加载器：Extension ClassLoader    使用java代码实现 该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载JDK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。

• 应用程序类加载器：Application ClassLoader    使用java代码实现 该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

双亲委派机制:

1. 当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
2. 当ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
3. 如果BootStrapClassLoader加载失败（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用ExtClassLoader来尝试加载；
4. 若ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载，如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException。

双亲委派模型意义：

• 系统类防止内存中出现多份同样的字节码
• 保证Java程序安全稳定运行

层次关系如下图：

验证

类被加载后，就进入连接阶段。连接就是将已经读取到内存的类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中去

准备

在准备阶段，Java虚拟机为类的静态变量分配内存，并设置默认的初始值，这些内存都将在方法区中分配。

对于该阶段有以下几点需要注意：

• 这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
• 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

例如对一下Sample类，在准备阶段，将为int类型的静态变量a分配4个字节的内存控件，并赋予默认值0，为long类型的静态变量b分配8个字节的内存控件，并赋予默认值0；

public class Sample{
    private static int a=1;
    private static int b;

    static{
       b=2；
    }
}

解析

在解析阶段，Java虚拟机会把类的二进制数据中的符号引用替换为直接引用。例如在Worker类的gotoWork()方法中会引用Car类的run()方法。

public void gotoWork(){
   car.run(); //这段代码在Worker类的二进制数据中表示为符号引用
}

在Worker类的二进制数据中，包含了一个对Car类的run()方法的符号引用，它由run()方法的全名和相关描述符组成。在解析阶段，Java虚拟机会把这个符号引用替换为一个指针，该指针指向Car类的run()方法区内的内存位置，这个指针就是直接引用。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码。在初始化阶段，Java虚拟机执行类的初始化语句，为类的静态变量 赋予正确的初始值。在程序中，静态变量的初始化有两种途径：

• 在静态变量的声明处进行初始化
• 在静态代码库中进行初始化

在如下代码中，静态变量a和b都被显示初始化，而静态变量c没有被显示初始化，它将保持默认值0；

public class Sample{
    private static int a=1;
    private static int b;
    private static int c;

    static{
       b=2；
    }
}

JVM初始化步骤：

1. 假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
2. 假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
3. 假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句